книги из ГПНТБ / Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности

большой строительной длине кабеля трудно получить рав­ номерное спекание всех лент, а также исключить возмож­ ность появления в процессе термообработки микротрещин. В связи с этим такая изоляция, как правило, должна быть защищена дополнительной оболочкой, обеспечивающей ра­ диальную герметичность при работе кабеля в скважинах.

Второй способ осуществляется путем прессования на плунжерных прессах таблеток тефлона-б (соответствующе­ го фторлону-4Д) с замасливателем через конические мат­ рицы. После экструзии изоляции производится ее высоко­ температурная обработка (для придания монолитности) и сушка (для удаления замасливателя). Толщина изоляции может составлять 0,5-г 3,0 мм. Максимальная строительная длина провода, получаемая этим способом, лимитируется размерами таблеток и обычно не превышает 1400 м. Для получения толщины изоляции менее 0,8 мм применяют спо­ соб экструзии тефлона-1 на шнековых прессах, где он по­ ступает в пресс в виде гранул. Но скорость шприцевания гранулированного тефлона-1 не превышает 7,62 Mjnac [82].

Фторлон-4, наряду с ценными уникальными свойствами, обладает и рядом недостатков, а именно: высокой вязкостью расплава, недостаточными для конструкционного материала твердостью и жесткостью. В отличие от фторлона-4 его со­ полимеры (с гексафторпропиленом и др.) являются плавки­

наилучшими диэлектрическими свойствами и теплостой­ костью (200°С) обладает фторлон-4 М (особенно его разно­ видность—фторлон-4 МБ), близкий по диэлектрическим свойствам к фторлону-4 (см. гл. 3, § 2).

За рубежом в настоящее время отсутствуют конструк­ ции каротажных кабелей, рассчитанные на работу при тем­ пературах выше 250—260°С. Это подтверждается литератур­ ными [273] и патентными данными по США, Франции, Анг­ лии, ФРГ и Японии. Их максимальная теплостойкость дос­ тигается применением сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (тефлон ГЕР). Из отечественных ма­ териалов по свойствам близки к тефлону FEP фторлон-4 М

(Б) и в какой-то степени фторлон-40Ш. Изоляция защи­ щена оболочкой из резины с классом нагревостойкости незначительно большим, чем у резины НШ-40; таким обра­ зом, класс нагревостойкости защитной оболочки значительно ниже, чем у изоляции. В этом отношении наиболее пер­ спективно применение в качестве защитных оболочек ре­ зины на основе фторкаучука СКФ-26 (разработки ОКБ КП). Испытания образцов каротажного кабеля с изоляцией из

101

пленочного термообработанного фторлона-4 и -4Д с защит­ ной оболочкой из этой резины показали, что она обладает

мальным временем пребывания кабеля на забое скважины, и кратковременно (до одного часа)—при 250°С.

Особый интерес представляют изоляционные материалы, которые могут применяться без герметизирующих оболо­ чек. К ним можно отнести фторлсн-40Ш и радиационномодифицированный полиэтилен. Максимальные температуры эксплуатации каротажных кабелей с такой изоляцией сос­ тавляют, соответственно, 175—180°С1и 205—210°, давления1000 и 1200 кгс/см2. Углубление скважин влечет за собой рост не только температур, но и гидростатических давле­ ний. Несмотря на то, что с увеличением последних можно ожидать заметной компенсации изменений, вносимых высо­ кой температурой, т. е. не исключена возможность исполь­ зования известных материалов, в том числе полиимидов, фторлонов и радиационно-модифицированного полиэтилена при более высоких температурах, нужно признать, что изоля­ ционные материалы, необходимые для каротажных кабелей с рабочей температурой ~300°С, в частности экструдируе­ мые, в настоящее время отсутствуют и создание их явля­ ется актуальной задачей. Однако при условии снижения требований в отношении допустимого сопротивления изоля­ ции в каротажных кабелях для сверхглубоких высокотемпе­ ратурных скважин могут найти применение целый ряд из­ вестных как органических, так и неорганических (окись маг­ ния и др.) изоляционных материалов, а также их сочетания.

например, возможность заключения жилы из медных нике­ лированных проволок в сплошные прочные трубки из ни­ келевого сплава, заполненные окисью магния.

В качестве „подушки“ под броню в сверхдлинных кабе­ лях можно использовать полиимидную плёнку с высокой стойкостью к продавливающим нагрузкам при высоких тем­ пературах, водонепроницаемостью и способностью свари­ ваться. Из термостойких материалов, выдерживающих на­ грев до 300°С, известно полифеновое волокно, обладающее, однако, низкой механической прочностью. Поэтому оно мо­ жет применяться для оплётки только в композиции с во-

ЧПо последним данным—160° С.

102

локном, имеющим более высокие механические характе­ ристики.

Следует отметить, что операция оплётки по производи­ тельности является наиболее узким местом в технологиче­

вызвало ухудшение её пластических, следовательно, и тех­ нологических свойств, создать проволоку с §в 300 кгс/мм2 при оптимальном соотношении прочностных и пластических свойств очень сложно1.

Увеличение глубин скважин более 15—20 тыс. м при условии повышения температур свыше 300—350°С может вызвать настолько серьезные трудности при конструирова­ нии каротажных кабелей, что более перспективным и эко­ номически целесообразным может оказаться иной вид элек­ трической и механической связи наземной и погружаемой

вскважины аппаратуры [113].

§5. УСТОЙЧИВОСТЬ К ОБРЫВАМ ТОКОПРОВОДЯЩИХ

Учитывая, что при равноценных по нагрузкам условиях в наиболее неблагоприятных находится токопроводящая жила одножильного бронированного кабеля (а также центральная семижильного), вопросы устойчивости токопроводящих жил к обрывам рассматриваются применительно к одножильному кабелю. В процессе эксплуатации каротажные кабели под­ вергаются многократным циклическим знакопеременным осевым нагрузкам и изгибающим моментам. Наиболее тя­ желым нагрузкам подвергаются кабели, эксплуатирующиеся в глубоких и сверхглубоких скважинах.

1 Подробно данный вопрос освещен в гл, III.

103

Броню кабеля без учета действия температуры можно рассматривать как пружину с упругими свойствами, опре­ деляемыми по М. Ф. Глушко и Э. А. Шахназаряну в диф­ ференциальных уравнениях статики бронированного кабеля

в) коэффициент взаимности деформаций растяжения и кру­ чения (кгс • мм)\

С = J^ESr(C0S22 — JiKSin2a) sin a -f

104

бота происходит в пределах упругих деформаций проволок брони, то

жения нагрузки;

Do и D, - средние диаметры кабеля по броне до и пос ■

Умножив обе части уравнения (2 - 5 - 8 ) на н ^ н ^ Н оКО.Тв,) получим

Зная величину радиально-направленной нагрузки (кгс/см2), по зависимостям нагрузка — сжимаемость (при Т = const) можно определить уменьшение диаметра кабеля вследствие сжимаемости изоляционно-защитных оболочек, следователь­ но, и Di, затем по формуле (2 -5 —9) —Ht и по (2—5—10)— коэффициент Пуассона1.

1 Данная монография находилась в печати, когда был опубликован автореферат канд. дисс. В. А. Тараканова „Исследование бронированного каротажного кабеля с целью повышения точности определения глубин при геофизических исследованиях скважин“ (М., 1971). В нем указано, что расчет рКі (для внутреннего повива брони) с учетом только суже­

ния изоляции приводит к получению значений (0,4—0,5), в 2—4 раза

Г3

меньших экспериментальных. Точный расчет рка, (и pKa — рк,—,

105

Как (2—5—5), так и (2 —5—10) дают возможность рас­ считать конструктивный коэффициент Пуассона для случая одинаковой в каждой точке кабеля нагрузки и одинакового значения сжимаемости изоляционно-защитных оболочек, т. е. определить рк однородного по длине кабеля. При нахож­ дении в скважине кабель теряет однородность по длине как в отношении электрических, так и механических характе­ ристик. Неоднородность последних обусловлена зависимо­ стью растягивающих нагрузок от глубины погружения, т. е. длины кабеля (см. гл. I), а также сжимаемости изоляцион­ но-защитных оболочек от температуры и давления в сква­ жине, т. е. в конечном счете—и от глубины погружения кабеля. Сжимаемость оболочек увеличивается при повыше­ нии как температуры, так и давления. Так, увеличение на­ грузки (давления) с 100 до 1000 Kzcjcu2 повышает сжима­ емость резины ТСШ-40 с 0,76 до 4,67% при температуре 20°С, с 0,73 до 5,12% при 60°С и с 0,96 до 5,55% при 100°С и т. д. Нагрузки же от растяжения брони, в том числе ра­

106

Например, для кабеля КРК-2 (сечения повивов брони

А = At + Аз = 42,7 кгс\

В= Bt + В2 = 251 • ІО4 кгС’ММ2;

С= С, — С2 = —38,77 • ІО4 кгс-мм (отрицательный знак С обусловлен обратным направлением наложения проволок в повивах брони).

Вычислив коэффициенты А, В, С можно определить де­ формации удлинения s и кручения Ѳ кабеля в случае на­ гружения его свободно подвешенным грузом Q' без учета влияния температуры и давления [195J:

В случае „чистого“ растяжения, когда Ѳ = 0, например, вследствие затухания кручения от сил трения кабеля о бу­ ровой раствор и т. д.

Влияние температуры на удлинение кабеля можно учесть агрегатными коэффициентами жесткости X (см. (1—2— 14) и if (см. (1—3—19)), полученными М. Ф. Глушко и Л. М. Мамаевым. Исходя из учета действия на кабель, располо­ женный в скважине, весовых нагрузок, гидростатического давления, температуры и набухания общие уравнения ста­ тики примут следующий вид:

107

и нагрузок, вызванных сжатием изоляционно-защитных оболочек гидростатическим давлением и сорбцией этими оболочками скважинных жидких и газообразных сред.

Эти уравнения отличаются от системы уравнений М. Ф. Глушко и Л. М. Мамаева учетом вклада сорбции в напря­

ванную соответственно весовыми нагрузками (аппаратура и груз), весом кабеля, температурой, гидростатическим дав­ лением и набуханием оболочек в жидкости и газе. Физиче­ ские константы, входящие в (2—5—2)—(2—5—4), (2—5 — 15)

стант удовлетворительно аппроксимируются линейными за­ висимостями; температурные коэффициенты модуля упруго­

X 10-8- Уменьшается с ростом Т также конструктивный коэф­ фициент Пуассона. Л. М. Мамаевым показано, что повыше­ ние Т сопровождается некоторым уменьшением агрегат­

108

ных коэффициентов А, В и С и увеличением X и f. Умень­ шение коэффициента А сопровождается снижением продоль­ ной жесткости и, соответственно, условного модуля про­ дольной упругости кабеля Ек , поскольку

мальными. Отношение максимальных растягивающих нагру­ зок при спуске и подъеме кабеля при р = 2 г/смг состав­ ляют: для одножильного бронированного кабеля 1 : 4, трех­ жильного— 1:3, семижильного бронированного—1:2,5.Таким образом, с увеличением диаметра кабеля уменьшается раз­ ница Между Роп И Рпод.

Максимальные статические растягивающие усилия дей­ ствуют на кабель при подъеме его из скважины в момент

Учет динамических растягивающих нагрузок, которые могут действовать на кабель, приводит к еще большему возрастанию значений Ре и Мл , следовательно, и деформа­ ций удлинения и кручения. Учитывая это, обычно стремят­ ся к обеспечению значительного превышения (в несколько раз) полного относительного удлинения него упругой состав­ ляющей при разрыве ТПЖ над полным относительным уд­ линением (и его упругой составляющей) при разрыве кабеля.

По опытным данным эксплуатации бронированных каро­ тажных кабелей с резиновой изоляцией, применение в них

109